工藝參數對透水磚性能影響分析

周超群，程小蘇，曾令可，沈鈺

(華南理工大學材料科學與工程學院，廣東 廣州 510640)

0 引 言

透水磚因其較高的孔隙率而具有良好的滲水性和保濕性，地面雨水可以通過其內部通道滲入下部土壤，直接起到補充地下水資源，緩解暴雨天城市排水壓力的作用；同時，有利于調節生態平衡，改善城市熱島效應、降低城市噪聲污染和地面硬化。由透水磚鋪就的透水路面還具有能夠平衡城市生態系統的功能[1-3]。相比傳統路面，能夠滯洪蓄雨、涵養甘霖、透水透氣、降塵減噪，增加城市居住舒適度的優勢的透水磚，在未來城市發展過程中將會起到關鍵作用[4-5]。海綿城市建設遵循生態優先等原則將自然途徑與人工措施相結合，在確保城市排水防澇安全的前提下，最大限度實現雨水在城市區域的積存、滲透和凈化，促進雨水資源的循環利用，從而讓水在城市中的遷移活動更加自然，使城市在適應環境變化和應對自然災害方面更具彈性[6-7]。透水磚是新型的環保透水材料。對于它的研究能夠得到國家的大力支持原因有兩點。一是因為透水磚具有以下的優良特性：保持地面的透水性、保濕性、防滑、抗寒、耐風化、抗壓以及吸音降噪等等。二是因為制造生產透水磚的過程可以對生活垃圾、疏浚淤泥以及礦渣、粉煤灰、廢瓷等工業廢料起到二次利用的作用[8]，減輕工業廢料對環境的污染。

1 實 驗

將經過破碎的廢瓷粒、疏浚泥、玻璃粉作為主要原料。首先，將廢瓷通過顎式破碎機進行破碎后對廢瓷粒進行過篩分級、球磨、再過篩分級處理，將廢瓷粒分為3個級配0．7-1．0 mm，1．0-2．36 mm，2．36-3．35 mm。其次，將疏浚泥放置于105 ℃的烘箱中干燥24 h，將干燥后疏浚泥球磨過篩，要求粒徑＜ 0．613 mm。

將玻璃粉和疏浚泥混合作為粘結劑，起熔劑的作用。廢瓷為粒狀料，起骨料作用。按照一定百分比的玻璃粉末、疏浚泥漿配料一起放入球磨機中加水濕磨兩小時后進行干燥和研磨得到混合粉料，這樣能使兩種粉料混合得更加均勻。將三種原料混合在一起進球磨機是不允許的，因在研磨過程中會破壞骨料的顆粒大小，使骨料的粒度降低，透水磚的透水性降低。 然后使用玻璃棒手動攪拌混合后，將蒸餾水和廢瓷顆粒加入到玻璃粉末和疏浚泥漿的混合物中。將混合物倒入模具中通過手動加壓成型，壓制成圓柱形坯體，尺寸為Φ4．6 cm×1．1 cm。壓制后的樣品在烘箱中105 ℃下干燥2 h，然后在預定溫度下的燒成爐燒制樣品。 燒成溫度在1100-1200 ℃的范圍內。爐溫以2-4 ℃/min的速度升溫。

1.1 廢瓷量對透水磚性能影響

由圖1可以看出不同廢瓷顆粒摻入量下試樣的透水系數和抗壓強度的變化。在同樣的工藝條件下，隨著骨料摻入量的增加，透水系數越來越高；而抗壓強度則變得越來越小，與透水系數呈現相反的變化趨勢。分析原因為廢瓷顆粒摻量增加，則其他起黏結作用的原料含量相應減小。因此，廢瓷顆粒之間相互黏結的程度較低，引起抗壓強度的減小。同時由于骨料量增加，骨料形成的三維網架結構孔洞更多，受力面更小且在接觸點處容易產生應力集中，引起透水系數的增加，進一步引起抗壓強度的減小。

1.2 混合粘結劑含量比例大小對透水磚性能影響

由圖2 可以看出不同疏浚泥玻璃粉比例下試樣的透水系數和抗壓強度的變化。在同樣的工藝條件下，隨著玻璃粉比例的增加，試樣的透水系數越來越大；與此相反的是，試樣的抗壓強度則越來越小。分析原因為，玻璃粉比例的增加伴隨著疏浚泥比例的減少，因此黏結劑對骨料的黏結作用減小，強度降低。同時玻璃粉比例的增加使得原本粗糙和不規則的孔洞結構變得圓滑，更利于水的通過，因此透水系數變大。

1.3 不同骨料粒徑對透水磚性能影響

由圖3 可以明顯看出骨料粒徑改變時試樣的透水系數和抗壓強度的變化。在同樣的工藝條件下，隨著廢瓷顆粒粒徑的增大，試樣透水系數也隨之增大，而抗壓強度則越來越小。這是由于當廢瓷顆粒粒徑較小時，骨料的堆積較為密集，其靠堆積而形成的氣孔孔徑較小，氣孔率也較小，因此透水系數也相應較低。同時骨料顆粒與顆粒之間的點接觸較多，經高溫燒結之后顆粒之間的黏結性較好，因此抗壓強度也相應較高。隨著廢瓷顆粒粒徑的增大，骨料的堆積結構也變得較為松散，形成的氣孔較多，孔徑較大，經燒結之后顆粒的黏結性也較好，因此透水系數增大，抗壓強度減小。

圖1 不同骨料含量對試樣透水系數和抗壓強度的影響Fig.1 Effect of different aggregate ratios on the permeability and compressive strength of the sample

圖2 不同疏浚泥、玻璃粉比例對試樣透水系數和抗壓強度的影響Fig.2 Effect of different dredged mud/glass powder ratios on the permeability and compressive strength of the sample

圖3 不同骨料粒徑對試樣透水系數和抗壓強度的影響Fig.3 Effect of different aggregate sizes on the permeability and compressive strength of the sample

1.4 燒成溫度對透水磚性能影響

圖4 不同煅燒溫度對試樣透水系數和抗壓強度的影響Fig. 4 Effect of different firing temperatures on the permeability and compressive strength of the sample

由圖4可以看出不同煅燒溫度下試樣的透水系數和抗壓強度的變化。在其它條件不變的情況下，隨著煅燒溫度的升高，試樣的透水系數先是增大，但在超過一定溫度后又呈現下降趨勢，試樣的抗壓強度呈現曲折上升的趨勢，中間略有起伏，但總體來說還是隨著煅燒溫度的上升而增大。玻璃粉末含有高濃度的含鈣礦物如氧化鈣和碳酸鹽以及硫酸鈉和硫酸鈣。隨著溫度從1100 ℃升高到1120 ℃，由于疏浚土壤中的有機物質在分解反應中產生氣體，孔隙率增加，透水性增強。隨著溫度的不斷升高，玻璃粉末中的助熔劑通過毛細管作用熔化形成填充在顆粒之間空隙的液相。當填充空隙時，密度增加，并且隨著燒結溫度的升高，粘合劑中的更多化合物熔化，基本上填塞了所有的孔并形成較大的玻璃狀結晶固體基質。在基體上致密化的溫度下，聚集體中的所有的空隙都被填充[9]。這可能是由于升高的溫度和孔體積的減小引起的致密化，導致較低的孔隙率[10]，從而導致樣品的透水性變差、抗壓強度增強。

2 結 論

以廢瓷、玻璃粉、疏浚泥為主要原料，可以制備出性能良好的透水磚。透水磚的性能與工藝條件有很大關系。環保型陶瓷透水磚中將廢棄物的利用率可達到了100%。其不僅可以變廢為寶，節約資源，還可以避免廢瓷等固廢對環境的污染，具有一定的經濟效益和社會效益。

(1)透水磚的力學性能對工藝條件比較敏感。抗壓強度隨骨料粒徑的減小而增大，隨著燒成溫度增大而增大，隨著骨料含量增加而減小。且當混合粘結劑中玻璃粉的含量過量時會使抗壓強度減小。透水磚的抗壓強度的變化與骨料的含量與級配有很大的關系。

(2)透水磚的透水率隨骨料粒徑的減小而減小，隨著燒成溫度增大而減小，隨著骨料含量增多而增大。透水磚透水系數的變化與骨料的含量有很大關系，而受燒成溫度影響不大。

(3)對于透水磚的性能需要透水性能與抗壓強度性能達到平衡點，且兩者性能總是此消彼長的。所以，要綜合考慮這兩者的性能選擇最佳的配方：燒成溫度為1120 ℃、廢瓷量70%、廢瓷級配在1-2．36 mm、混合粘結劑中疏浚泥與玻璃粉最佳配比為3 : 1。

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